燃料电池汽车加氢站设计与工程建设实践

1、燃料电池汽车加氢站设计与工程建设实践加氢站对于燃料电池汽车的开展有着积极的推动作用.燃料电池(FuelCell)是氢能使用最重要的技术之一,作为一种电化学反响装置,其不经过燃烧,直接将化学能转化成电能.燃料电池技术广泛应用于汽车工业领域,与传统的燃机相比,燃料电池具有更高的能源转换效率,而且由于其反响的产物是水,不产生任何的污染物和温室气体,实现了真正的零排放.我国燃料电池汽车事业的开展根本与世界同步,在政府的能源、环保战略,开展速度仍在不断加快.2.1加氢站储氢量根据对世博期间燃料电池公交车、燃料电池轿车和燃料电池观光车3类共196辆氢燃料电池汽车在世博园区外进行示运行.燃料电池汽车每日行驶

2、里程和单位里程耗氢量进行估算,所有燃料电池汽车的日最大氢气需求量约600kg.考虑供氢平安系数和工程实际情况,站设置两辆长管拖车,其储氢量约560kg,储存压力不大于20MPa站固定储氢瓶组储氢量约500kg,储存压力不大于45MPa站总储氢量约1060kg,属于三级站.该站选择离站制氢(Off-site)的模式,采用氢气长管拖车将小于20MP必压缩氢气从生产单位运送进站后再通过站压缩机将氢气增压卸载至站高压储氢瓶组,以不大于45MPa勺压力储存.车辆加氢时,从储氢瓶组中输出氢气,通过加氢机充装到燃料电池汽车的车载储氢瓶中.Word文档资料加氢站是对高压氢气的储存、输配、加注等技术的综合应用,

3、世博加氢站系统主要包括：氢气源站外彳 ft 氢、氢气压缩系统氢气压缩机、氢气储存系统高压储氢瓶组、氢气加注系统加氢机.此外还有高压氢气管线、阀门组件和平安、限制系统等6,加氢站的工艺流程由图所示.氢气长管拖车将小于20MPaB勺压缩氢气从氢气生产单位运送进加氢站,氢气经卸气柱卸载后通过氢气压缩机增压至43.8 MPa储存到站固定储氢瓶组中,氢气长管拖车也可作为站的一级储氢装置,当对车辆加氢时,通过多级取气的模式从储氢瓶组中输出氢气,通过加氢机充装到燃料电池汽车的车载储氢瓶中.3.9加氢站总平面布局加氢站是甲类火灾危险睡设施,必须在设计上保证其平安可靠.在加氢站进行站址选择和站建、构筑物及设备平

4、面布局设计时,必须符合上海市城市规划和站区防火平安的要求,参照上海市地方规?燃料电池汽车加氢站技术规程?,保证加氢站与站外重要公共建筑物、明火或散发火花地点、民用建筑和厂房、库房、储罐、铁道、铁路、架空通信线、架空电力线路等保持足够的防火距离满足表1的要求.在进行加氢站部平面布局设计时,应当考虑站氢气压缩机间、储氢装置、加氢机、站房、变配电间等建构筑物的平安距离满足表2的要求,Word文档资料同时合理安排站车辆行走路线,预防加氢车辆之间、加氢车辆与站的氢气拖车之间行驶路线互相干扰.3.10氢站的氨平安工艺氢气的平安性问题一直是讨论的焦点.氢气属于甲类易燃气体,与天然气相比,氢气与空气混合形成的

5、爆炸混合物具有更宽的爆炸极限围(4.1%74.1%),更低的着火能量(0.019mJ).由于氢分子体积小,无色无味,因此极易泄漏并不易被发觉,易于在设备、容器和建筑物顶部积聚,遇明火、热源极易发生燃烧爆炸.止匕外,氢对金属材料也存在一定的破坏性,如氢应力破坏、氢环境脆化、氢攻击、泡踵、氢化物生成、高压氢微细穿孔、流动性变差等现象7,其中最应重视的是氢脆,所以,在选用储氢材料时必须选用抗氢脆材料,预防因氢脆而产生风险.在世博加氢站的设计中,认真的考虑了氢气的储存、输配、加注全过程中用氢设备和氢气管路的平安性.对上述问题可能带来的危险隐患,应从技术上保证站的设备、管路具有可靠的防渗透、防泄漏举措；

6、在设计上保证泄漏的氢气能够及时扩散和排除；设置防雷、防静电保护设施；加氢站所有电器元件需到达标准、规的防爆等级要求；站各系统之间设置平安联动系统,具有平安联锁功能.3.11氢站氢气增压系统Word文档资料氢气增压系统是整个加氢站的关键组成.从氢气长管拖车上卸载下来的氢气通过氢气压缩机增压后储存在站的高压储氢瓶组中,也可以通过压缩机直接增压对燃料电池车辆进行充装.为了充分利用压缩机增压水平以及保证工程的正常运行和维护,氢气增压系统的技术参数的设置综合考虑了增压效率和运行效率之间的关系：正常吸气压力为5MPa-22MPa额定排气压力为44MPa单台最大压缩水平为20kg/h,45MPa理论上根据上

7、述参数设置的压缩机组每天只需运行8h,就可以满足世博期间车辆每日加氢的需求,其余时间可用于对压缩机及其外围的氢气管路进行日常检修和设备维护.3.12氢站氢气加注工艺目前,加氢站有2种氢气加注模式8:一种是分级加注(CascadeFilling),采用该种模式的加氢站一般具有一定规模的站固定储氢水平而且储氢压力一般需要到达40MPa-45MPa这样才能对35MPaB勺车载储氢瓶组进行快速的氢气加注；另一一种是增压加注(BoosterFilling):此时站的储氢压力比拟低(例如20MPa-25MPa),先对车载储氢瓶局部增压后,再启动氢气压缩机增压,使车载氢瓶的压力到达35MPa采用前一种技术的

8、优点是加气速度快,加氢站的利用率高,但在对压力较低的车载氢瓶加注开始阶段会由于压差过大导致氢气流速过快,从而使氢瓶部升温过快；而后一种不需在站储存高压氢气,还可以降低加注本钱,但为了保证加气速度,需要的氢气压缩机容量较高.目前世界上加氢站大多采用第一种加注模式.Word文档资料世博加氢站采用分级加注的工艺模式,在分析和研究该加注模式的优缺点后,对工艺做了进一步改良.将停在站的氢气长管拖车也作为分级加注中的一级,由于该级压力较低,在对车载氢瓶时,首先从该级取气.这样可以降低加注时前、后端的压差,预防由于加注速度过快导致的车载氢瓶升温过快的问题,在一定程度上提升了氢气使用的平安性.3上海世博会加氢

9、站关键没备集成3.1高压储氢装置加氢站压缩氢气的储存一般采用两种方式：一种是用具有较大容积的气瓶,该类气瓶的单个水容积在600L1500L之间,为无缝锻造压力容器；另一种是采用小容积的气瓶,单个气瓶的水容积在45L80L,比较上述两种储氢系统的特点,可以看出采用大型储氢瓶组的一次性投资要高于小型的储氢瓶组,但由于大瓶组系统相对于小瓶组系统而言气阀、管件和平安附件的数量要少的多,可靠性和平安性高,且维护费用远低于小瓶组系统.由于氢气需求量较大,世博加氢站以大型储氢瓶组作为站的固定储氢装置,单个储氢瓶水容积为895L,储氢压力到达43.8MPa,按6瓶/组和9瓶/组共设置两组共15只ASM的压站用

10、钢瓶,固定储氢总质量超过500kg.这些储氢瓶根据氢气加注限制策略的要求按1:2:2的比例被分为高压、中压和低压三级,每一级都设有专门的氢气管道将高压Word文档资料加注的模式,可以在短时间将车氢瓶迅速充满,实现车辆的快速加注.而且可以预防压缩机的频繁启动,优化了加氢站的工艺流程.止匕外,为预防夏季日晒升温导致瓶组氢气压力过高,在设计和安装时瓶组上方设置了冷水喷淋装置,一旦出现夏季气温过高的现象,对瓶组进行喷淋降温,预防由于高温而导致储氢瓶氢气产生超压现象.3.2氢气压缩设备常用的氢气压缩设备为隔膜式压缩机,该型压缩机靠金属膜片在气缸中作往复运动来压缩和输送气体.膜片沿周边由两限制板夹紧并组成

11、气缸,并由机械或液压驱动在气缸往复运动,从而实现对气体的压缩和输送.金属膜片的厚度一般在0.3mp0.5mm将氢气与液压回路隔离开来,预防两者接触,保证氢气的纯度.氢气压缩机在整个加氢站中有着举足轻重的作用,是整个加氢站中最为关键的设备之一.目前,我国加氢站使用的氢气压缩机,根本上都是以进口国外设备为主.世博加氢立采用了4台隔膜式氢气压缩机,以两台压缩机为一组,采用撬装结构,每个橇的两台压缩机共用一套闭环冷却系统,但每台压缩机组的限制系统和放散系统都是相互独立的,相互不受影响.该压缩机系统最高可以将氢气增压至45MPa4台压缩机的容量可到达80kg/h,45MPa完全可以满足世博期间车辆每天的

12、氢气加注需求.氢气从储氢瓶组输送至加氢机侧采用大容量高压储氢装置和三级取气Word文档资料3.3氢气加注设备作为氢气加注设备的加氢机与天然气加气机原理相似,整个加氢机一般由机壳、触控面板、软管、加氢枪、质量流量计、压力变送器、防爆电磁阀、气动阀、平安阀、连接管路和限制系统等组成.除此之外,还具有过压保护、环境温度补偿、拉断阀保护和泄漏报警系统等平安防护功能.由于氢气的加注压力到达35MPa远高于天然气25MP#J加注压力,因此,对加注的平安性也提出了更高的要求.加氢机中使用的流量汁、阀门、加氢枪、拉断阀需要做到计量准确、结构紧凑且能承受高压.根据加注对象的不同,加氢机设置了不同规格的加氢枪TK

13、16、TK25,可分别为燃料电池轿车和燃料电池公交车进行加注,其最大加注流量分别限制在2kg/min和5kg/min.在该流量下加注一辆轿车约用1对5min,加注1辆公交车需15min20min.止匕外,此次世博会有20辆使用W型车载储氢瓶的燃料电池轿车,该型储氢瓶严格要求瓶温度不得超过85Co由于氢气的逆汤-焦效应和W型储氢瓶材料本身的散热性能限制,需对加注的氢气进行预冷处理,氢气的温度降至-20C左右再进行充装.同时根据SAE燃料电池汽车标准委员会制定的标准SAEJ2601的要求,在W型储氢瓶设置测温点,通过红外通讯装置与加氢枪TK17进行数据传输,实时监控加注过程中瓶Word文档资料的压

14、力和温度变化,一旦出现超压或超温趋势将马上停止氢气加注,从而保证加注过程的平安.3.4站控系统作为加氢站的神经中枢,站控系统限制着整个加氢站的所有工艺流程有条不紊的进行,站控系统功能是否完善对于保证加氢站的正常运行有着至关重要的作用8.因此,站控系统必须对加氢站具有全方位的实时监控水平.站限制系统采用分布、分级的限制方式,分散限制、集中治理,整个加氢站的站控系统由两级计算机组成.前置机下位机负责实时数据的采集功能；治理机上位机用于完成数据信号接受处理、显示、记录、限制和数据上传.在限制室集中显示加氢站所有检测仪表、阀门状态、可燃气体检测等信号的监测,以及对阀门实现自动限制.站控系统可监视、限制整个加氢站运行的全过程,计算所需的技术参数,自动绘制参数的实时和历史趋势曲线.对站区采集的数据包括卸气系统、增压系统、储氢系统、可燃气体检测系统、火焰探测系统、视频监控系统及加气系统等所有数据.加氢站站控系统实现了加氢站运行的自动限制,同时现场操作人员通过计算机显示可实时、在线了解站区工艺运行情况,保证系统平安、可靠运行,同时完成加氢量的采集.Word文档资料4结论世博会是一个展示我国新能源汽车开展与创新的重大机遇,此次参与世博期间运营的氢燃料电池汽